Conversor de Buck de saída de 5V de alta eficiência DIY !: 7 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Eu queria uma maneira eficiente de reduzir tensões mais altas de pacotes LiPo (e outras fontes) para 5 V para projetos eletrônicos. No passado, usei módulos de buck genéricos do eBay, mas o controle de qualidade questionável e nenhum nome de capacitores eletrolíticos não me enchia de confiança.

Então, eu decidi que faria meu próprio conversor step down não apenas para me desafiar, mas para fazer algo útil também!

O que acabei com é um conversor Buck que tem uma faixa de tensão de entrada muito ampla (entrada de 6 V a 50 V) e saídas de 5 V com corrente de carga de até 1 A, tudo em um formato pequeno. O pico de eficiência que eu medi foi de 94%, então não apenas este circuito é pequeno, mas também permanece frio.

Etapa 1: Escolhendo um Buck IC

Embora você certamente possa fazer um conversor de dinheiro com um punhado de amplificadores operacionais e outros componentes de suporte, você obterá melhor desempenho e certamente economizará muita área de PCB se em vez disso escolher um conversor de IC dedicado.

Você pode usar as funções de pesquisa e filtragem em sites como DigiKey, Mouser e Farnell para encontrar um IC adequado para suas necessidades. Na imagem acima, você pode ver as assustadoras 16, 453 partes reduzidas a 12 opções em apenas alguns cliques!

Eu escolhi o MAX17502F em um pacote minúsculo de 3 mm x 2 mm, mas um pacote um pouco maior provavelmente seria melhor se você planeja soldar os componentes manualmente. Este IC tem muitos recursos, o mais notável deles é a ampla faixa de entrada de até 60 V * e os FETs de alimentação interna que significam que nenhum MOSFET ou diodo externo é necessário.

* Note que na introdução eu disse que era uma entrada de 50V, mas a parte aguenta 60V? Isso se deve aos capacitores de entrada e se você precisar de uma entrada de 60 V, o circuito pode ser modificado para se adequar.

Etapa 2: verifique a folha de dados do CI escolhido

Na maioria das vezes, haverá o que é chamado de "Circuito de aplicação típico" mostrado na folha de dados, que será muito semelhante ao que você está tentando alcançar. Isso era verdade para o meu caso e, embora alguém pudesse apenas copiar os valores do componente e chamá-lo de concluído, eu recomendaria seguir o procedimento de design (se fornecido).

Aqui está a folha de dados do MAX17502F:

Começando na página 12, existem cerca de uma dúzia de equações muito simples que podem ajudá-lo a escolher valores de componentes mais adequados e também ajudam a fornecer detalhes sobre alguns dos valores de limite - como o valor mínimo de indutância.

Etapa 3: Escolha os componentes para o seu circuito

Espera, pensei que já tivéssemos feito essa parte? Bem, a parte anterior era encontrar os valores ideais dos componentes, mas no mundo real temos que nos contentar com os componentes não ideais e as advertências que vêm com eles.

Como exemplo, os capacitores de cerâmica multicamadas (MLCCs) são usados para os capacitores de entrada e saída. Os MLCCs têm muitos benefícios em relação aos capacitores eletrolíticos - especialmente em conversores DC / DC - mas estão sujeitos a algo chamado DC Bias.

Quando uma tensão CC é aplicada a um MLCC, a classificação de capacitância pode cair em até 60%! Isso significa que seu capacitor de 10 µF está agora apenas 4 µF em uma determinada tensão CC. Não acredita em mim? Dê uma olhada no site da TDK e role para baixo para ver os dados característicos deste capacitor de 10µF.

Uma solução fácil para esse tipo de problema é simples, basta usar mais MLCC em paralelo. Isso também ajuda a reduzir a ondulação de tensão, pois o ESR é reduzido e é muito comum em produtos comerciais que precisam atender a especificações rigorosas de regulação de tensão.

Nas imagens acima, há uma lista de materiais esquemática e correspondente (BOM) do kit de avaliação MAX17502F, então se você não conseguir encontrar uma boa escolha de componente, vá com o exemplo experimentado e testado:)

Etapa 4: Preenchendo o esquema e o layout do PCB

Com seus componentes reais escolhidos, é hora de criar um esquema que capture esses componentes, para isso eu escolhi EasyEDA como já usei antes com resultados positivos. Simplesmente adicione seus componentes, certificando-se de que eles tenham o tamanho correto e conecte os componentes juntos como o circuito de aplicação típico anterior.

Depois de concluído, clique no botão "Converter em PCB" e você será levado à seção Layout de PCB da ferramenta. Não se preocupe se você não tiver certeza de algo, pois existem muitos tutoriais online sobre EasyEDA.

O layout da placa de circuito impresso é muito importante e pode fazer a diferença entre o funcionamento do circuito ou não. Aconselho fortemente a seguir todos os conselhos de layout na folha de dados do IC, quando disponível. A Analog Devices tem uma ótima nota de aplicação no tópico de Layout de PCB se alguém estiver interessado:

Etapa 5: Solicite seus PCBs

Tenho certeza de que a maioria de vocês já viu as mensagens promocionais em vídeos do youtube para JLCPCB e PCBway, então não deveria ser uma surpresa que eu usei uma dessas ofertas promocionais também. Eu encomendei meus PCBs do JLCPCB e eles chegaram pouco mais de 2 semanas depois, então, apenas do ponto de vista financeiro, eles são muito bons.

Quanto à qualidade dos PCBs, não tenho absolutamente nenhuma reclamação, mas você pode julgar isso:)

Etapa 6: montagem e teste

Soldei manualmente todos os componentes no PCB em branco, o que foi bastante complicado, mesmo com o espaço extra que deixei entre os componentes, mas há serviços de montagem da JLCPCB e de outros fornecedores de PCB que eliminariam a necessidade dessa etapa.

Conectando energia aos terminais de entrada e medindo a saída, fui saudado por 5,02 V conforme visto pelo DMM. Depois de verificar a saída de 5 V em toda a faixa de tensão, conectei uma carga eletrônica na saída que foi ajustada para consumo de corrente de 1A.

O Buck começou direto com essa corrente de carga de 1A e quando eu medi a tensão de saída (na placa) ela estava em 5,01 V, então a regulagem de carga foi muito boa. Eu defini a tensão de entrada para 12 V, pois este era um dos casos de uso que eu tinha em mente para esta placa e medi a corrente de entrada como 0,476A. Isso dá uma eficiência de cerca de 87,7%, mas o ideal é que você deseje uma abordagem de teste de quatro DMMs para medições de eficiência.

Na corrente de carga 1A percebi que a eficiência estava um pouco abaixo do esperado, acredito que isso se deva a perdas (I ^ 2 * R) no indutor e no próprio CI. Para confirmar isso, configurei a corrente de carga para a metade e repeti a medição acima para obter uma eficiência de 94%. Isso significa que ao reduzir pela metade a corrente de saída, as perdas de energia foram reduzidas de ~ 615mW para ~ 300mW. Algumas perdas serão inevitáveis, como perdas de chaveamento dentro do IC, bem como corrente quiescente, então ainda estou muito feliz com este resultado.

Etapa 7: inclua seu PCB personalizado em alguns projetos

Agora que você tem uma fonte estável de 5V 1A que pode ser alimentada de uma bateria de lítio 2S a 11S, ou qualquer outra fonte entre 6V e 50V, não há necessidade de se preocupar em como alimentar seus próprios projetos eletrônicos. Seja baseado em microcontrolador ou circuito puramente analógico, este pequeno conversor de buck pode fazer tudo!

Espero que tenham gostado dessa jornada e se você chegou até aqui, muito obrigado pela leitura!